1841'de bir iletkenden elektrik akımı geçmesiyle açığa çıkan isiyle ilgili, kendi adını taşıyan kanunları hazırladı. Ertesi yıl, ünlü deneyiyle kalorinin mekanik eşdeğerini belirledi. Zinde kuvvet kavramını ortaya atarak, mekanik enerjinin korunumu ilkesini açıkladı.
1851'de, Mariotte kanununu gazların kinetik teorisine dayanarak yorumladı ve gaz moleküllerinin ortalama hızını hesapladı. 1852'de W. Thomson ile birlikte yaptığı araştırmalar sonunda, tükel gazlarda boşluk içindeki adiyabatik genleşmenin sıcaklık değişimi olmadan meydana geldiğini (joule kanunu), buna karşılık gerçek gazlarda hafif bir soğuma olduğunu (Joule-Thomson olayı) açıkladı.
1850'de Royal Society'ye üye seçildi; yayımladığı sayısız inceleme yazısı, 1884'te Scientific Papers (Bilimsel Yazılar) başlığı altında derlendi.